Crag News

Les plantes i els fongs intercanvien 'missatges moleculars' per establir simbiosis beneficioses

Molècules d'ARN del fong entren a les cèl·lules de l'arrel per silenciar gens de la planta
  • Les relacions simbiòtiques entre plantes i fongs són clau per a l'intercanvi de nutrients entre ells i tenen conseqüències beneficioses per al medi ambient.
  • Un grup d’investigadors ha descrit per primera vegada que molècules d'ARN de mida petita de fongs viatgen a l'interior de cèl·lules de plantes per inactivar determinats gens, promovent la simbiosi.
  • Aquest descobriment obre la porta a possibles aplicacions en agricultura, com la reducció de fertilitzants, la resistència a la sequera i a les altes temperatures, o l'augment en la fixació de CO2.

En un estudi recent publicat a la revista New Phytologist, investigadors del CRAG, en col·laboració amb la Universitat de Torí, revelen un nou mecanisme de comunicació entre espècies, aportant noves perspectives sobre com interactuen plantes i fongs amb per obtenir beneficis mutus. El treball, co-dirigit per Ignacio Rubio-Somoza, investigador CSIC al CRAG, i la professora Luisa Lanfranco de la Universitat de Torí, presenta la primera evidència experimental que les molècules d'ARN de mida petita dels fongs poden silenciar gens de les plantes per facilitar l'establiment de simbiosis.

In a recent study published in New Phytologist, researchers from CRAG, in collaboration with the University of Torino, reveal a novel mechanism of cross-kingdom communication, providing new insights into how plants and fungi interact and live together with reciprocal benefits. The work, co-led by Ignacio Rubio-Somoza, CSIC researcher at CRAG, and Professor Luisa Lanfranco from the University of Torino, presents the first experimental evidence that fungal small RNA molecules (sRNAs) can silence plant genes to facilitate the establishment of a symbiotic relationship.

Una simbiosi ancestral per a desafiaments antics i moderns

Fa aproximadament 450 milions d'anys, quan les plantes van començar a colonitzar la terra, es van trobar amb un entorn hostil. Les associacions simbiòtiques amb fongs, especialment amb els fongs micorízics, es van convertir essencials per a la supervivència. Aquestes associacions, basades en l'intercanvi de nutrients, permeten a les plantes obtenir nutrients minerals com el fòsfor, un dels principals factors limitants per al creixement vegetal, mentre que els fongs depenen del carboni subministrat per la planta hoste.

Avui dia, se sap que la micorrització no només millora la nutrició mineral de les plantes, sinó també la seva capacitat natural per afrontar estrès biòtic i abiòtic, així com la capacitat fotosintètica i, per tant, la fixació de CO₂. La majoria de les plantes terrestres, incloses moltes espècies cultivades, participen en aquesta simbiosi tant en sistemes naturals com agrícoles.

La simbiosi micorízica arbuscular (AM), una de les formes més antigues i àmpliament esteses d'aquesta relació, implica l'intercanvi de nutrients en estructures fúngiques especialitzades, en forma d'arbre, anomenades arbúsculs, que es formen dins les cèl·lules corticals de les arrels de les plantes. La formació de la simbiosi AM requereix una comunicació molecular estrictament regulada, que garanteix el reconeixement mutu i la cooperació entre ambdós organismes.

Silenciament genètic entre espècies

Un pas clau per permetre l'establiment de la simbiosi AM és que les plantes reconeguin els fongs beneficiosos com a aliats i no activin mecanismes de defensa com si fossin una amenaça. Aquest reconeixement es basa en el diàleg molecular entre els dos organismes. La investigació actual mostra que els sRNAs són elements essencials en aquest procés, regulant l'expressió genètica mitjançant el silenciament genètic. La interferència d'ARN entre regnes (ckRNAi, de l’anglès cross-kingdom RNA interference) s'havia descrit prèviament com un mecanisme clau en les interaccions planta-patogen, en treballs pioners de Hailing Jin, coautora d'aquesta publicació i professora de la UC Riverside.

Aquest nou estudi demostra, per primera vegada, que els sRNAs del fong AM Rhizophagus irregularis juguen un paper crucial en l'establiment d'aquesta simbiosi. Específicament, es va descobrir que un sRNA fúngic anomenat Rir2216 segresta la maquinària d'interferència d'ARN de Medicago truncatula per silenciar el factor de transcripció MtWRKY69, afavorint així la colonització fúngica.

Usant tècniques avançades com la microdissecció làser, l’equip investigador va analitzar específicament les cèl·lules que contenien arbúsculs i van trobar que l'expressió de MtWRKY69 estava reduïda en comparació amb les cèl·lules no micorríziques. Experiments de biologia molecular van confirmar que Rir2216 redueix els nivells de MtWRKY69 i actua com un element clau en la ckRNAi.

“Aquests micromissatges podrien ser l''Esperanto' entre diferents organismes, que poden ser tan diferents com pertanyents a diferents regnes”, assenyala Ignacio Rubio-Somoza.

A més, els investigadors van trobar que les plantes amb majors nivells d'expressió de MtWRKY69 mostraren una micorrització reduïda, amb un percentatge menor de freqüència, intensitat i abundància d'arbúsculs. Això indica que la regulació dels nivells d'expressió de MtWRKY69 exerceix un paper important en el control del nivell de colonització fúngica en les arrels micorríciques, la qual cosa confirma la importància biològica de la troballa.

 

infografia

Propers passos i aplicacions en agricultura

L'equip de recerca està estudiant ara els processos regulats per MtWRKY69 per determinar el seu mecanisme d'acció. Una anàlisi filogenètica va determinar que la seqüència objectiu de MtWRKY69 està conservada evolutivament, però específicament en aquelles espècies que són capaces de formar simbiosis AM. Els autors especulen que MtWRKY69 podria estar implicat en la resposta a l'estrès de la planta i que la seva reducció podria contribuir a la supressió local de la resposta immune de la planta, afavorint una colonització més íntima per part del fong.

Millorar la capacitat simbiòtica entre plantes i microorganismes ofereix una solució natural a molts dels problemes mediambientals als quals ens enfrontem. Segons Ignacio Rubio-Somoza, “aquest coneixement podria usar-se com un 'Tinder genòmic', que buscaria les millors parelles de plantes i microorganismes per optimitzar la simbiosi i així abordar reptes agrícoles i ambientals.”

Aquest descobriment obre la porta a possibles aplicacions en agricultura, com la reducció de la necessitat de fertilitzants i agroquímics en millorar l' absorció natural de nutrients, o el desenvolupament de cultius amb major resistència a factors d' estrès ambiental com sequeres, fluctuacions de temperatura, plagues, etc. A més, amb cada vegada més evidències de la contribució de les micorritzades a la dinàmica del cicle de carboni global, la millora de les simbiosis entre plantes i fongs ofereix un camí sostenible per augmentar la fixació de CO2 i mitigar la crisi climàtica.

 

 

línia

Article de referència

Alessandro Silvestri*, William Conrad Ledford*, Valentina Fiorilli, Cristina Votta, Alessia Scerna, Jacopo Tucconi, Antonio Mocchetti, Gianluca Grasso, Raffaella Balestrini, Hailing Jin, Ignacio Rubio-Somoza and Luisa Lanfranco. A fungal sRNA silences a host plant transcription factor to promote arbuscular mycorrhizal symbiosis. New Phytologist, https://doi.org/10.1111/nph.20273

Sobre els autors i el finançament de l’estudi

Aquest treball va ser recolzat pel projecte CN_00000033 finançat en el marc del Pla Nacional de Recuperació i Resiliència (NRRP), Missió 4 Component 2 Inversió 1.4 – Convocatòria de licitació nº 3138 de 16 de desembre de 2021, rectificada pel Decret nº 3175 de 18 de desembre de 2021 del Ministeri d'Universitat i Recerca italià finançat per la Unió Europea – NextGenerationEU i per la Universitat de Turíngia (Ricerca locale). El treball al laboratori del MoRE ha estat finançat pels RTI2018-097262-B-I00 (finançats per MCIN/AEI/10.13039/501100011033 i per 'FEDER: Una manera de fer Europa') i a través del 'Programa Severo Ochoa de Centres d'Excel·lència en Recerca i Desenvolupament' 2016-2019 (SEV-2015-0533) i 2020-2023 (CEX2019-000902-S) finançats per MCIN/AEI/10.13039/501100011033 i el programa CERCA de la Generalitat de Catalunya. La beca postdoctoral de A.S. ha estat finançada pel programa de recerca i innovació Horizon 2020 de la Unió Europea en virtut de l'acord de subvenció Marie Skłodowska-Curie nº 945043.